Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình cho hệ thống điều khiển nhiệt độ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
KHOA CƠNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HĨA

BÁO CÁO MƠN HỌC
ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH

Đề tài:

Thiết kế hệ thống điều khiển q trình cho hệ thống
điều khiển nhiệt độ
Sinh viên thực hiện : Hà Xuân Qúi
: Senmady
Lớp

: TĐH-K18A

Giáo viên hướng dẫn : Th.S HOÀNG THỊ THƯƠNG
Thái Nguyên, năm 2023
1


LỜI MỞ ĐẦU
2


Cùng với sự phát triển của xã hội, đời sống người dân ngày càng được nâng
cao, việc thay thế các hoạt động thủ công bằng các thiết bị tự động cũng được người
dân ứng dụng nhiều trong công nghiệp cũng như trong sinh hoạt.
Trong kỳ này em thực hiện đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình
cho hệ thống điều khiển nhiệt độ”
Ngày nay, ai cũng biết rõ rằng cơng nghệ khuấy trộn liên tục đóng vai trị quan

trọng trong cơng nghiệp như thế nào, nó giúp chúng ta trộn 1 chất nào đó như sơn hay
bê tơng với tỉ lệ chính xác, ít lao động và chất lượng cao
Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của cơ giáo Th.S Hồng Thị
Thương và các thầy cô giáo trong khoa để em thực hiện tốt đề tài này. Tuy nhiên do
kiến thức, kinh nghiệm chưa được hồn chỉnh nên cịn có một số thiếu sót trong quá
trình thực hiện đề tài, mong được sự chỉ bảo, đóng góp ý kiến của các thầy cơ giáo và
bạn đọc quan tâm đề tài này.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ
1.1.

Giới thiệu chung về hệ thống

Trong hệ thống điều khiển nhiệt độ hiện nay người thiết kế thường dùng bộ
điều khiển nhiệt độ. Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị dùng để đo, điều khiển và kiểm
soát nhiệt độ ở trong một khoảng không gian và thời gian nhất định. Ngồi nhiệt độ,
loại thiết bị điều khiển này cịn có khả năng đo và kiểm sốt đồng thời cả độ ẩm trong
khơng gian kín. Với tính năng này, bộ điều chỉnh nhiệt độ trở thành thành phần không
thể thiếu trong các hệ thống gia nhiệt, máy ép nhựa, lò sấy, hệ thống khí nén, …
Ngồi tên gọi phổ biến nhất là bộ điều khiển nhiệt độ, các kỹ sư cơ khí cịn gọi
chúng bằng nhiều cái tên khác như: bộ cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo nhiệt độ, đồng
hồ điều khiển nhiệt độ, đồng hồ hiệu chỉnh nhiệt độ, bộ điều khiển nhiệt độ PID, bộ
điều khiển nhiệt kỹ thuật số, …
Thông thường, sau khi đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt độ hoặc can nhiệt chúng ta
có 2 cách để giám sát và điều khiển:


Truyền về trung tâm như PLC/DCS để giám sát và điều khiển



Đưa vào bộ điều khiển nhiệt độ để điều khiển

Trong hệ thống nhỏ đơn lẻ khơng sử dụng PLC thì bộ cảm biến nhiệt độ sẽ được ưu
tiên hàng đầu bởi tính đa dụng và hiệu quả vượt trội mà chúng mang lại. Đa dạng về
kích thước, cách thức cài đặt, sử dụng dễ dàng, điều khiển với độ chính xác cao và giá
thành phải chằng chính những lý do mà đồng hồ hiệu chỉnh nhiệt độ được sử dụng phổ
biến.
1.2.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển nhiệt độ

1.2.1. Cấu tạo bộ điều khiển nhiệt độ.
3 thành phần chính cấu tạo nên một bộ điều khiển nhiệt độ là:


Cảm biến: Với khả năng cảm nhận các biến đổi vật lý, hóa học, sinh học của
mơi trường, cảm biến trên đồng hồ điều khiển nhiệt có chức năng chính là đo
lường giá trị thực nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng,… và kiểm soát chúng. Những dữ
liệu này được cảm biến biến đổi thành các tín hiệu để gửi về bộ điều khiển.



Bộ điều khiển: Là nơi mà sẽ tiếp nhận và xử lý tín hiệu được truyền đi từ cảm
biến. Sau khi tiếp nhận tín hiệu, bộ điều khiển tiếp tục xuất tín hiệu đã qua xử lý
đến thiết bị điều khiển.



Thiết bị điều khiển: Tiếp nhận tín hiệu chỉ đạo từ bộ điều khiển và thực hiện
chính xác như những gì đã được lập trình trước đó.

Bộ điều khiển nhiệt tuy có kích thước nhỏ gọn nhưng lại đóng vai trị là đầu não
của q trình điều khiển. Cảm biến được xem là mắt và thiết bị điều khiển coi như là
chân tay của con người khi vận hành. 3 thành phần này phối hợp nhịp nhàng với nhau
để giúp bộ điều khiển nhiệt hoạt động một cách chính xác nhất.

4


1.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển nhiệt độ

Về nguyên lý, bộ điều khiển nhiệt độ trước tiên sẽ đo nhiệt độ mơi trường (biến
q trình), sau đó so sánh nó với giá trị nhiệt độ mong muốn (giá trị cài đặt). Sự khác
biệt giữa các giá trị này gọi là lỗi (độ lệch). Dựa vào lỗi này, bộ điều khiển sẽ quyết
định mức độ sưởi ẩm hay làm mát cần thiết để đưa nhiệt độ về giá trị mong muốn.
Hồn tất q trình này, bộ điều khiển sẽ gửi đi tín hiệu đầu ra (giá trị thao tác) tác động
đến sự thay đổi cần thiết. Tín hiệu đầu ra thường được kết nối với lò sưởi, van điều
khiển, quạt hoặc một số "phần tử điều khiển cuối cùng" thực sự bơm hoặc loại bỏ nhiệt
khỏi quá trình.
Bộ điều khiển nhiệt độ có 3 chế độ điều khiển:
 Điều khiển PID
 Kiểm soát điều khiển ON/OFF
 Kiểm soát nhiệt độ theo tỷ lệ

Điều khiển nhiệt độ lò nướng

Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến nhiệt
5


1.3.

Những lại bộ điều khiển

1.3.1. Bộ điều khiển nhiệt độ theo chương trình
Loại điều khiển nhiệt độ này sẽ làm việc theo chương trình đã được cài đặt
trước, duy trì mức nhiệt trong khoảng thời gian đặt hẹn và chuyển sang mức nhiệt
khác. Người sử dụng có thể lập trình đến 16 phân đoạn nhiệt khác nhau với chương
trình bắt đầu từ nhiệt độ môi trường hoặc từ 0°C tùy vào mục đích sử dụng.
1.3.2. Bộ điều khiển nhiệt độ kết nối với máy tính thơng qua truyền thơng RS485
Đối với bộ điều khiển nhiệt độ được tích hợp cổng truyền thơng RS485 thì
thơng qua phần mềm kết nối với máy tính, các thơng số giá trị, alarm, phần trăm ngõ
ra của đồng hồ sẽ được hiển thị và đồng thời có thể cài đặt được. Người dùng quản lý
và giám sát các giá trị này dưới dạng file excel, biểu đồ dạng cột, dạng đồ thị. Và quan
trọng nhất, hồn tồn có thể thay đổi các thơng số của bộ cảm biến nhiệt độ ngay trên
phần mềm.
1.3.3. Bộ điều khiển nhiệt độ dạng DIN Rail
Loại điều khiển nhiệt lắp trực tiếp trên thanh Rail chia thành 2 loại: loại tích
hợp nút nhấn ngay trên bộ điều khiển và loại u cầu màn hình rời bên ngồi với dây
dài 1m. Bộ điều chỉnh nhiệt độ dạng DIN Rail khi tích hợp với Transmitter sẽ được
dùng làm bộ chuyển đổi tín hiệu vô cùng hiệu quả. Ngõ vào đa dạng các loại nhiệt độ,
tín hiệu, ... chuyển sang tín hiệu analog và lên đến 2 ngõ ra relay output. Tín hiệu ngõ
vào và ngõ ra được hiệu chỉnh dễ dàng thông qua các phím bấm trên bộ cảm biến nhiệt
độ.
1.4.

Ưu điểm của bộ điều khiển nhiệt độ



Hỗ trợ vận hành thiết bị một cách an toàn hơn



Giúp giảm tiêu thụ năng lượng



Hỗ trợ duy trì các tiện nghi về nhiệt (lị sưởi, lò nướng,...) và cả độ ẩm



Giám sát tốt cho hệ thống.



Giảm chi phí nhân lực



Giúp xác định rõ vấn đề bảo trì (nhiệt độ giảm bất thường...)

1.5.

Các ứng dụng của bộ điều khiển nhiệt độ

Bộ hiển thị và điều khiển nhiệt độ được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực, ngành
nghề, từ nhà máy công nghiệp cho đến hoạt động sản xuất dân dụng.
6




Ứng dụng thường thấy nhất là các lò ấp trừng gia cầm từ dạng mini đến công
suất lớn giúp kiểm sốt và điều chỉnh nhiệt độ lị áp khơng q cao cũng không
quá thấp



Theo dõi và điều khiển nhiệt độ các lò nung, lò gốm sứ với nhiệt độ lên đến
hàng nghìn °C. Lĩnh vực này địi hỏi độ chính xác nhiệt độ vô cùng cao. Một khi
xảy ra sai lệch về nhiệt độ thì cả mẻ hàng đem nung đều hỏng.



Ngồi ra đồng hồ điều khiển nhiệt cịn được sử dụng cho máy lạnh dân dụng,
quạt tản nhiệt trong các nhà máy sản xuất, lò sấy, lò nướng, nồi hơi, ... Chúng tơi
cũng đã có một bài viết riêng về ứng dụng của bộ điều khiển nhiệt độ lò sấy.

7


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
1.1. Điều khiển quá trình.
Điều khiển tự động phát triển theo hai hướng là lý thuyết và ứng dụng, hướng lý
thuyết phát triển theo hướng tìm ra các bộ điều khiển thơng minh (mờ, nơron, thích

nghi…), cịn hướng ứng dụng là tìm ra các giải pháp vận hành, điều khiển các quá
trình công nghệ cụ thể trong thực tiễn. Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều
khiển vào trong các ngành cơng nghiệp chế biến (cơng nghệ hóa học, sinh học và thực
phẩm), là sự kết nối chặt chẽ nền tảng lý thuyết điều khiển tự động với qui trình cơng
nghệ của các q trình sản xuất. Để học được mơn học này sinh viên cần có kiến thức
của các mơn học: Hóa học,Vật lý, Đo lường cảm biến và LT ĐKTĐ và thực tế quan
sát được các dây chuyền cơng nghệ sản xuất ở các nhà máy, xí nghiệp khi được đi thực
tập ở ngoài doanh nghiệp.
-

Khái niệm.

Điều khiển quá trình là ứng dụng kỹ thuật điều khiển, vận hành và giám sát các q
trình cơng nghệ, nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và an tồn cho
con người, máy móc và con người.
-

Mục đích và chức năng của ĐKQT.

Đảm bảo hệ thống vận hành ổn định trơn tru: Giữ cho hệ thống ổn định tại điểm làm
việc cũng như chuyển chế độ một cách trơn tru, đảm bảo các điều kiện theo yêu cầu
của chế độ vận hành, kéo dài tuổi thọ máy móc, vận hành thuận tiện.
Đảm bảo năng suất và chất lượng sản phẩm: đảm bảo lưu lượng sản phẩm theo kế
hoạch sản xuất và duy trì các thơng số liên quan đến chất lượng sản phẩm.
Đảm bảo hệ thống vận hành an toàn: Giảm thiểu các nguy cơ xảy ra sự cố cũng như
bảo vệ cho con người, máy móc, thiết bị và môi trường trong trường hợp xảy ra sự cố.
Bảo vệ môi trường: Giảm ô nhiễm môi trường thông qua giảm nồng độ khí thải độc
hại, giảm nước sử dụng và nước thải, hạn chế lượng bụi và khói, giảm tiêu thụ nguyên
nhiên liệu.
Nâng cao hiệu quả kinh tế: Đảm bảo năng suất chất lượng theo yêu cầu trong khi

giảm chi phí nhân cơng, ngun liệu và nhiên liệu, thích ứng nhanh với yêu cầu của
thị trường.
-

Tầm quan trọng của điều khiển quá trình.

+ ĐKQT ảnh hưởng trực tiếp đến sự an tồn và tính tin cậy của một quá trình.
8


+ ĐKQT quyết định chất lượng sản phẩm của quá trình sản xuất
+ ĐKQT ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành của quá trình.
1.2. Qúa trình và các biến.
Quá trình và các biến quá trình Quá trình được định nghĩa là một trình tự các
diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học, trong đó vật chất, năng lượng hoặc thông tin
được biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ. Quá trình cơng nghệ là những q trình liên
quan tới biển đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật. chất và năng lượng, nằm trong một dây
chuyền công nghệ hoặc một nhà máy sản xuất năng lượng. Một q trình cơng nghệ có
thể chỉ đơn giản như q trình cấp liệu, trao đổi nhiệt, pha chế hỗn hợp, nhưng cũng có
thể phức tạp hơn như một tổ hợp lò phản ứng-thấp chưng luyện hoặc một tổ hợp lị
hơi-turbin. Q trình kỹ thuật là một quá trình với các đại lượng kỹ thuật đưoc đo và
được can thiệp. Khi nói tới một quá trình kỹ thuật, ta hiểu là q trình cơng nghệ cùng
với các phương tiện kỹ thuật như thiết bị do và thiết bị chấp hành. Sự phân biệt giữa
hai khái niệm q trình kỹ thuật và q trình cơng nghệ ở đây khơng phải là vấn đề từ
ngữ, mà chì nhằm mục đích thuận tiện cho các nội dung trình bày sau này. Từ nay về
sau, nếu không nhấn mạnh thì khái niện q trình có thể được hiểu là q trình cơng
nghệ hoặc q trình kỹ thuật tùy theo ngữ cảnh sử dụng. Trạng thái hoạt động và diễn
biến của một quá trình thể hiện qua các biến quá trình. Một biến vào là một đại lượng
hoặc một điều kiện phản ánh tác động từ bên ngoài vào quá trình, ví dụ lưu lượng
dịng ngun liệu, nhiệt độ hơi nước cấp nhiệt, trạng thái đóng/mở của ro-le sợi

đốt...Một biến ra là nguyên nhân trong khi các biến có thể xuất hiện kết quả (quan hệ
nhân quả). Cạnh các biến vào ra, nhiều khi ta cũng quan tâm đến các trạng thái của
biến. Các thông tin trạng thái biến đổi về trạng thái bên trong q trình, ví dụ nhiệt độ,
áp suất hơi hoặc mức chất lỏng, hoặc cũng có thể dẫn xuất từ các đại lượng đặc trưng
khác, ví dụ như (speed) nhiệt độ biến thiên, áp suất hoặc mức. Trong nhiều trường
hợp, một trạng thái biến cũng có thể được coi là một biến. Ví dụ, mức nước trong bình
có thể coi là một trạng thái, vừa có thể coi là một biến thể. Một cách tổng quát, nhiệm
vụ của điều khiển hệ thống quá có thể sử dụng các biến thể của quá trình hợp lý để các
biến thể của nó thỏa mãn các tiêu chí trước, đồng thời giảm thiểu hư hỏng ảnh của quá
trình. Thuật ngữ đối với con người và xung quanh môi trường. Hơn nữa, các diễn đàn
cũng như các tham số, các hoạt động trạng thái của các thành phần trong hệ thống cần
phải có: theo dõi và giám sát chặt chẽ. Tuy nhiên, trong một nghệ thuật q thì khơng
9


phải biến thành bất kỳ thứ gì cũng có thể sử dụng được và không phải biến thể nào
cũng cần phải điều khiển. Biến cần điều khiển (biến được điều khiển, CV) là một biến
ra hoặc một trạng thái biến của quá trình được điều khiển, sao điều chỉnh cho gần với
một giá trị mong muốn hoặc đặt giá trị (điểm đặt, SP) hoặc theo một chủ đạo, mẫu tín
hiệu biến (biến lệnh / tín hiệu tham chiếu). Các biến cần quan trọng của hệ thống liên
quan điều khiển, đến sự vận hành ổn định, an toàn của hệ thống hoặc chất lượng sản
phẩm. Nhiệt độ, lượng, lưu lượng, áp suất và mức độ là những biến thể cần điều khiển
tiêu biểu nhất trong điều khiển hệ thống quá trình.

Hình 1.1: Quá trình và phân loại biến quá trình

-

Một biến vào

-

Biến cần điều khiển (controlled variable): Biến ra, đại lượng hệ trọng tới sự vận
hành an toàn, ổn định hoặc chất lượng sản phẩm, cần được duy trì tại một giá trị
đặt, hoặc bám theo một tín hiệu chủ đạo

-

Biến điều khiển (control variable, manipulated variable): Biến vào can thiệp
được theo ý muốn để tác động tới đại lượng cần điều khiển.

-

Nhiễu: Biến vào không can thiệp được:
+ Nhiễu quá trình (disturbance, process disturbance):
 Nhiễu đầu vào (input disturbance): biến thiên các thông số đầu vào (lưu
lượng, nhiệt độ hoặc thành phần nguyên liệu, nhiên liệu).
 Nhiễu tải (load disturbance): thay đổi tải theo yêu cầu sử dụng (lưu lượng
dòng chảy, áp suất hơi nước, ...).
 Nhiễu ngoại sinh (exogenous disturbance): nhiệt độ, áp suất bên ngoài, ...
10


+ Nhiễu đo, nhiễu tạp (noise, measurement noise).
1.3 . Cấu trúc cơ bản của hệ thống điều khiển quá trình
Một hệ thống điều khiển quá trình bao gồm 3 thành phần chính:
-

Thiết bị đo.

-

Thiết bị chấp hành.

-

Thiết bị điều khiển.

Hình 1.6: Các thành phần cơ bản của một hệ thống ĐKQT

2.0. Mơ hình hóa
2.1. Giới thiệu chung

Mơ hình là một hình thức mơ tả khoa học và cơ đọng các khía cạnh thiết yếu của
một hệ thống thực, có thể có sẵn hoặc cần phải xây dựng.
-

Một mơ hình phản ánh hệ thống thực từ một góc nhìn nào đó phục vụ hữu ích

cho mục đích sử dụng.
-

Phân loại mơ hình:

+ Mơ hình đồ họa: Sơ đồ khối, lưu đồ P&ID, lưu đồ thuật tốn.
+ Mơ hình tốn học: ODE, Hàm truyền, mơ hình trạng thái.
+ Mơ hình máy tính: Chương trình phần mềm.
+ Mơ hình suy luận: Cơ sở tri thức, luật.

11

2.1.1. Các bước mơ hình hóa.
Bước đầu tiên của quy trình mơ hình hóa là đặt bài tốn mơ hình hóa. Các cơng
việc chính bao gồm nghiên cứu kỹ lưu đồ cơng nghệ, xác định rõ mục đích sử dụng
của mơ hình, tóm tắt các thơng số cơng nghệ cũng như các giả thiết quan trọng. Trên
cơ sở đó, ta cần làm rõ yêu cầu về mức độ chi tiết và mức độ chính xác của mơ hình,
phương pháp và cơng cụ phân tích, đánh giá chất lượng của mơ hình.

Hình 2.1: Tổng quan các bước mơ hình hóa q trình phức hợp

Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học:
-

Phương pháp lý thuyết (mơ hình hóa lý thuyết, phân tích q trình, mơ hình hóa

vật lý):
+ Xây dựng mơ hình trên nền tảng các định luật vật lý, hóa học cơ bản.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 1.,2. Và 5.
-

Phương pháp thực nghiệm (nhận dạng quá trình, phương pháp hộp đen):

+ Ước lượng mơ hình trên cơ sở các quan sát số liệu vào – ra thực nghiệm.
+ Phù hợp nhất cho các mục đích 3. và 4.
-

Phương pháp kết hợp:

+ Mơ hình hóa lý thuyết để xác định cấu trúc mơ hình.

+ Mơ hình hóa thực nghiệm để ước lượng các tham số mơ hình.

12


2.2. Các dạng mơ hình hóa
2.2.1. Mơ hình tuyến tính và mơ hình phi tuyến.
Một mơ hình được gọi là tuyến tính khi quan hệ giữa các tín hiệu vào/ra của nó thỏa
mãn ngun lý xếp chồng. Một cách chính thức, nếu M(u) là một tốn tử tuyến tính và
u1, u2 là hai biến đọc lập, ta sẽ có:
M ( u1+ u2 )=M ( u1 ) + M (u2 )

(2.1)

Khi đó, nếu có các tín hiệu ra y 1 , y 2 lần lượt ứng với các tín hiệu vào độc lập bất kỳ
u1 ,u 2 thì ta cũng sẽ có y= y1 + y 2 ứng với u=u1+ u2. Ngược lại, chỉ cần bất cứ một qua hệ

vào/ra nào khơng thõa mãn ngun lý xếp chồng thì mơ hình sẽ được gọi là phi tuyến.
2.2.2. Mơ hình liên tục và mơ hình gián đoạn.
Mơ hình liên tục mơ tả quan hệ giữa các biến quá trình liên tục theo thời gian. Nói
một cách khác các tín hiệu sử dụng trong mơ hình là hàm liên tục theo thời gian.
Mơ hình gián đoạn chỉ phản ánh đặc tính q trình tại những thời điểm nhất
định (gọi là thời điểm quan sát).
Một mơ hình liên tục chỉ thích hợp với các q trình liên tục. Trong khi đó, mơ
hình gián đoạn có thể sử dụng cho tất cả các thành phần trong hệ thống điều khiển số
(bao gồm cả quá trình và bộ điều khiển số).

2.2.3. Mơ hình đơn biến và mơ hình đa biến.
Mơ hình đơn biến: Một biến vào điều khiển và một biến ra được điều khiển, biến
vào-ra được biểu diễn là các đại lượng vơ hướng.

Mơ hình đa biến: Nhiều biến vào điều khiển hoặc/và nhiều biến ra, các biến vào-ra
có thể được biểu diễn dưới dạng vector.
2.2.4. Mơ hình tham số hằng và mơ hình tham số biến thiên.
Mơ hình tham số hằng: các tham số mơ hình khơng thay đổi theo thời gian.
Mơ hình tham số biến thiên: ít nhất 1 tham số mơ hình thay đổi theo thời gian.
2.3. Mơ hình hóa lý thuyết
2.3.1. Các bước mơ hình hóa.
1.Phân tích bài tốn mơ hình hóa
- Tìm hiểu lưu đồ cơng nghệ, nêu rõ mục đích sử dụng của mơ hình, từ đó xác định
mức độ chi tiết và độ chính xác của mơ hình cần xây dựng.
13


- Phân chia thành các quá trình con.
- Liệt kê các giả thiết liên quan tới xây dựng mơ hình nhằm đơn giản hóa mơ hình.
- Nhận biết và đặt tên các biến quá trình và các tham số quá trình.
2.Xây dựng các phương trình mơ hình
3.Kiểm chứng mơ hình:
- Phân tích bậc tự do của q trình dựa trên số lượng các biến quá trình và số lượng
các quan hệ phụ thuộc.
- Phân tích khả năng giải được của mơ hình, khả năng điều khiển được.
- Đánh giá mơ hình về mức độ phù hợp với yêu cầu dựa trên phân tích các tính chất
của mơ hình kết hợp mơ phỏng máy tính.
4.Phát triển mơ hình:
- Phân tích các đặc tính của mơ hình.
- Chuyển đổi mơ hình về các dạng thích hợp.
- Tuyến tính hóa mơ hình tại điểm làm việc nếu cần thiết.
- Mô phỏng, so sánh mơ hình tuyến tính hóa với mơ hình phi tuyến ban đầu.
- Thực hiện chuẩn hóa mơ hình theo u cầu của phương pháp phân tích và thiết kế
điều khiển.

5.Lặp lại một trong các bước trên nếu cần thiết.
2.3.2. Phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc.
Hầu hết mơ hình tốn học xây dựng bằng phương pháp lý thuyết cho đến các quá
trình thực đều chứa phương trình vi phân phi tuyến. Nhưng đến nay, đa số phương
pháp phân tích và thiết kế đều dựa trên mơ hình tuyến tính. Ngay cả một số phương
pháp phi tuyến cũng khơng loại trừ hồn tồn việc sử dụng mơ hình tuyến tính, ít ra là
để làm cơ sở so sánh và kiểm chứng chất lượng. Vì vậy nếu mục đích sử dụng mơ hình
là phục vụ phân tích hệ thống, thiết kế sách lược và thuật tốn điều khiển, thì việc
tuyến tính hóa mơ hình trước hay sau cũng sẽ cần thiết. Có 3 phương pháp tuyến tính
hóa cơ bản được biết đến, bao gồm:
-

Tuyến tính hóa xung quanh điểm làm việc (phải là một điểm cân bằng): áp

dụng phép khai triển Taylor, kết quả là một mơ hình tuyến tính xấp xỉ có giá trị sử
dụng tại lân cận điểm làm việc.
-

Tuyến tính hóa thơng qua phép biến đổi đơn thuần, kết quả có thể là một mơ

hình tuyến tính hoặc mơ hình ít phi tuyến hơn nhưng hồn tồn tương đương với mô
14


hình ban đầu.
-

Tuyến tính hóa chính xác: sử dụng phản hồi, kết quả là một mơ hình mở rộng

tuyến tính.

2.4. Mơ hình hóa thực nghiệm
2.4.1 Nhận dạng hệ thống.
Phương pháp xây dựng mơ hình tốn học trên cơ sở các số liệu vào-ra thực nghiệm
được gọi là mơ hình hóa thực nghiệm hay nhận dạng hệ thống (system identification).
Theo IEC 60050-351: “Nhận dạng hệ thống là những thủ tục suy luận một mơ hình
tốn học biểu diễn đặc tính tĩnh và đặc tính quá độ của một hệ thống từ đáp ứng của nó
đối với một tín hiệu đầu vào xác định rõ, ví dụ hàm bậc thang, một xung hoặc nhiễu
tạp trắng”.
Theo Lofti A. Zadeh: Trên cơ sở quan sát số liệu vào/ra thực nghiệm, các định các
tham số của mơ hình từ một lớp các mơ hình thích hợp, sao cho sai số là nhỏ nhất.
Các yếu tố cơ bản của nhận dạng:
-

Số liệu vào/ra thực nghiệm:

-

Dạng mô hình, cấu trúc mơ hình

+ Mơ hình phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, hàm truyền đạt/không gian trạng
thái, …
+ Bậc mơ hình, thời gian trễ.
-

Chỉ tiêu đánh giá chất lượng mơ hình:

-

Thuật tốn xác định tham số

Phân loại các phương pháp nhận dạng:
-Theo dạng mơ hình sử dụng: phi tuyến/tuyến tính, liên tục/gián đoạn, mơ hình thời
gian/tần số.
-Theo dạng số liệu thực nghiệm: chủ động/bị động.
-Theo mục đích sử dụng mơ hình: trực tuyến, ngoại tuyến.
-Theo thuật tốn ước lượng mơ hình:
+ Bình phương tối thiểu (least squares, LS),
+ Phân tích tương quan (correlation analysis), phân tích phổ (spectrum analysis),
+ Phương pháp lỗi dự báo (prediction error method, PEM).
+ Phương pháp khơng gian con (subspace method).
-Nhận dạng vịng hở/vịng kín.
15


3.3. Thiết kế sách lược.
- Khái niệm sách lược điều khiển: Thể hiện nguyên tắc về mặt cấu trúc trong việc sử
dụng thơng tin về các biến q trình để đưa ra tác động điều khển.
- Phân loại:
+ Truyền thẳng (vòng hở, bù nhiễu).
+ Phản hồi.
+ Tỉ lệ.
+ Tầng.
 Kết quả của việc thiết kế sách lược là có: + Sơ đồ P&ID
+ Sơ đồ khối điều khiển.
 Có rất nhiều phương pháp thiết kế sách lược, mỗi phương pháp đều có ưu
nhược điểm khác nhau nhưng với bài tốn này em chọn phương pháp điều
khiển tỉ lệ vì phương pháp này tối ưu chó phép điều khiển tỉ lệ giữa 2 biến tại 1
giá trị đặt nhằm điều khiển gián tiếp biến thứ 3

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH BÀI TỐN, XÂY DỰNG HỆ THỐNG VÀ MÔ

PHỎNG TRÊN MATLAB
16


3.1. u cầu bài tốn

Hình 1.4: Thiết bị điều khiển nhiệt độ.

u cầu:
1. Phân tích bài tốn điều khiển, xác định các biến của mơ hình và mơ hình tổng quát
2. Thiết kế sách lược điều khiển phản hồi để điều khiển nhiệt độ sản phẩm ra.
3. Tìm phương trình hàm truyền đạt của hệ. Mô phỏng hệ hở trên Simulink
4. Thiết kế Bộ điều khiển cho quá trình khuấy trộn nhiên liệu, xác định giá trị của bộ
điều khiển.
Mô phỏng kết quả điều khiển với bộ điều khiển vừa tính được.
a) Mơ hình điều khiển
b. Kết quả Mơ phỏng trên matlab
5. Điều khiển và giám sát hệ thống trên PLC và WinCC

3.2. Phân tích bài tốn điều khiển, xác định các biến của mơ hình và mơ hình tổng
qt.

17


Theo yêu cầu bài toán chúng ta phải điều khiển nhiệt độ để đạt yêu cầu và tỉ lệ
đúng như ta mong muốn.
Các biến trong hệ thống điều khiển nhiệt độ
+ Biến vào: T1, F1, T2, F, F2
+ Biến ra: T

+ Biến điều khiển: F1
+ Biến cần điều khiển: T
+ Nhiễu: T1, T2, F , F2

Mơ hình q trình của hệ thống điều khiển nhiệt độ.

F, F2, T1, T2

F1

Hệ thống điều khiển
nhiệt độ

T

Hình 3.1: Mơ hình tổng quan của hệ thống điều khiển nhiệt độ.

3.3. Xây dựng mơ hình điều khiển phản hồi.
18


-

Xây dựng sơ đồ hệ điều khiển phản hồi
F F2 T1 T2

Tsp

F1

van

BĐK nhiệt độ

Qúa trình

Hình 3.4: Sơ đồ điều khiển phản hồi.

-

Xây dựng sơ đồ công nghệ P&ID của hệ thống điều khiển nhiệt độ

Tsp

TC

TT

T
Hình 3.4: Sơ đồ cấu trúc P&ID.

3.4. Tìm hàm truyền đạt và xây dựng hệ thống hở trên Simulink
3.4.1. Phương trình cân bằng nhiệt
dT
dt

=

P2
P1

1
F 1 T 1 + V F 2 T 2− FT
pV
V
p

Tuyến tính hóa phương trình tại điểm làm việc (F1,T1,F2,T2,F,T) và F = F1+F2, ta có:
p 1 T 1 − pT
p 2 T 2−PT
P1 F 1
p1 F 2
d ∆T F
+ ∆T=
∆ F1 +
∆ F 2+ V ∆ T 1+ V ∆T 2
V
V
dt
V
p
p
p
p

19

T


3.4.3. Tuyến tính hóa mơ hình hàm truyền đạt

Biến đổi laplace cho cả hai vế, ta nhận được mơ hình hàm truyền đạt:

Trong đó:

Hàm truyền đạt cho van điều khiển : Gv ( s)=
Hàm truyền đạt của thiết bị đo : : Gm ( s)=

kv
T v s+1

km
T m s+1

Sơ đồ khối hàm truyền đạt nhiệt độ

3.4.4. Xây dựng hệ thống trên Simulink

20